公路橋梁的鉆孔灌注樁設計研究

洪勇

（如皋市交通運輸局，江蘇 如皋226500）

1 引言

樁基礎是深基礎的重要形式，抗壓性能較好，能夠使上部荷載有效傳遞到地基中。因具備較高的穩(wěn)定性和承載力等特點，樁基礎得到了較為廣泛的應用，當前在眾多基礎形式中屬于較為成熟的一種[1]。在經濟快速發(fā)展的當今，隨著不斷增大的結構物上部荷載，對下部基礎也提出了越來越高的要求。

2 鉆孔灌注樁單樁承載力的影響因素分析

橋梁所受荷載在樁基礎的作用下會隨之傳遞到地基土中，使應力有所擴散。在樁頂荷載向下傳遞的過程中，會分配給樁側和樁端土，具體表現(xiàn)為樁側的摩阻力以及樁端的抵抗力[2]。上部荷載在樁側摩阻力的作用下主要以剪應力的形式作用到樁周土中，在樁端的持力層土體中，樁端的抵抗力則主要是通過持力層壓縮變形的方式體現(xiàn)。因樁和土體間的作用較為復雜，故若要對樁基的承載力進行準確的評估，并對其進行合理的設計，對豎向荷載作用下樁基的變形做出正確的認識是必不可少的。

對于橋梁樁基礎，其所受到的豎向荷載主要是通過承臺的方式進行傳遞的，并由樁側和樁端阻力共同承受。單樁豎向承載力的影響因素較為復雜，當樁頂作用有豎向荷載時，樁體上部產生向下的位移，樁側土體產生向上的摩阻力，樁身荷載以樁側摩阻力的方式擴散到樁周土中[3]。由于入土深度不斷增加，樁身受到的軸力、壓縮量也不斷減小，并表現(xiàn)出不斷加大的樁側阻力。對于鉆孔灌注樁，影響其性能發(fā)揮的因素較多，影響因素彼此之間的關系往往也較為復雜，基于對前人研究的分析可知，對單樁承載力產生影響的因素主要包括樁周土性能、樁的尺寸以及樁身材料等。對于單樁承載力，樁側和樁周土的抗剪強度等性能對其有較大的影響。

3 工程概況

某高速公路橋梁長6 850 m，寬42 m。全橋共設置有1 612根鉆孔灌注樁，樁徑分別為1.2 m、1.3 m以及1.8 m。為便于后續(xù)對該鉆孔灌注樁進行研究，本文將對其開展靜載試驗，對承載特性以及極限承載力狀態(tài)下的樁基承載力特性進行分析，從而對樁基設計進一步優(yōu)化。

4 試驗分析

4.1 試驗概況

本次試驗共分為A組和B組。設計時，按照加載的最大量估算值進行，從資源節(jié)約的角度出發(fā)，本次試驗的試樁在相鄰時共用2根錨樁，共9根。其中A組樁長為35 m，B組樁長為24 m，樁徑均為1.3 m，錨樁長35 m，樁徑為1.5 m。試樁澆筑時所使用的混凝土等級為C25，主筋共使用直徑為22 mm的HRB335鋼筋24根，箍筋則使用直徑為8 mm的HRB235鋼筋，加筋箍筋使用直徑為18 mm的HRB335的鋼筋，并以2 m的間隔進行設置。基于現(xiàn)場地質環(huán)境以及試樁條件，對其加載量的最大值進行估算可得表1所示結果。

表1 各試樁最大加載量及極限承載力匯總

試驗使用的是逐級加載的方式，以最大加載量估算值的1/10作為各級加載量，并按照5 min和10 min的間隔進行加載，再以15 min的間隔進行讀數(shù)，1 h后再以30 min的間隔進行讀數(shù)。再逐級加載時，應確保每小時沉降量均在0.1 mm以內，在連續(xù)2次加載之后即可將其看作穩(wěn)定狀態(tài)，繼而開展下次加載。各個試樁的分級加載情況和加載最大值見表2。荷載-沉降曲線如圖1所示。

表2 各試樁加載及卸載分級

圖1 荷載-沉降曲線

Sa1試樁的加載量最大為21 000 kN，Sa2試樁的加載量最大為22 000 kN。對于Sa1，沉降最大值為40 mm，回彈量最大值為7.8 mm，回彈率為19%；對于Sa2，沉降最大值為40 mm，回彈量最大值為11 mm，回彈率為28%；對于Sb1和Sb2，二者的加載量最大值均為18 000 kN，Sb1的沉降量最大值為40 mm，回彈量最大值為6.8 mm，回彈率為17%；Sb2試樁則有的沉降量最大值為40 mm，回彈量最大值為6.7 mm，回彈率為16%。

單樁極限承載力可由上述曲線直接表示，從曲線中可以看出，2組試樁均不具備顯著拐點，因此，無法通過曲線確定其單樁極限承載力。對于直徑較大的樁基，多數(shù)情況下是按照其樁頂沉降量計算極限承載力的。試樁的樁頂均產生40 mm沉降時，A組中Sa1試樁的極限承載力為21 000 kN，Sa2試樁的極限承載力為23 000 kN，Sb1和Sb2試樁的極限承載力均為18 000 kN。采用泥漿護壁的試樁，因具備較大的孔徑，施工時難免會因為清孔效果不佳而導致淤泥滯留在孔底而影響樁端阻力。故在圖1曲線中會表現(xiàn)出線性遞減的情況。

對于直徑較大的鉆孔灌注樁，一般不會出現(xiàn)整體剪切變形破壞，而是會以漸進的方式出現(xiàn)破壞。特別是在砂土、碎石土等地質條件較好的土層中的灌注樁，多數(shù)情況下不會樁端的刺入變形，故可按照3個組成部分來劃分樁基沉降，分別為：樁身在豎向荷載下的彈性壓縮、在豎向荷載作用下樁端土的壓縮以及樁端土在樁側阻力作用下的壓縮。

圖1中的曲線直接反映出單樁極限承載力和樁長之間的關系，可知樁長越長，單樁極限承載力越大。當其樁長從25 m增加到35 m時，即樁長的增長率為43%，單樁極限承載力分別有32%以及21%的增長率。樁側阻力是摩擦樁承載力的主要來源，并且與樁側土的相對位移有較大的關聯(lián)。因荷載在向下傳遞時會分散到樁周土中一部分，使樁底處承受的荷載小于實際荷載，故樁長較長時，樁底的樁側阻力基本可以忽略不計。但當前的多數(shù)工程中，設計時均考慮了樁端持力層的樁側阻力，往往會導致其出現(xiàn)過大的樁長。

4.2 樁身軸力及樁端阻力發(fā)揮

限于篇幅，本文僅給出部分數(shù)據(jù)。樁端阻力占樁頂荷載比例見表3。

表3 樁端阻力占樁頂荷載比例%

在尺寸不同的兩組試樁中有著相似的軸力分布，即其軸力隨著不斷增大的入土深度呈線形遞減。在較低的豎向荷載下，樁周土體逐漸分擔上部傳遞的荷載，而在樁端處則有著近為0的軸力。此時的樁身和樁周土均處在彈性狀態(tài)，故樁身軸力表現(xiàn)為線性遞減。

隨著不斷增加的樁頂荷載，樁端阻力也不斷加大，并且相比于樁側阻力具有一定的滯后性。Sb1樁的樁端阻力占比較大，原因在于成孔過程中泥漿護壁產生的泥皮較厚，導致孔壁有不利于滑動的介質存在，增加了樁端阻力及其占比，并且泥皮厚度越大軸力遞減速度越慢，從表3可知，Sb1樁身軸力相比于Sb2的樁身軸力而言，具有更慢的荷載傳遞遞減效應，說明泥皮過厚的假設是正確的。

4.3 有效樁長的確定

從上述分析可知，因存在逐漸減小的樁土相對位移，因此，在荷載傳遞過程中，樁側阻力的增長表現(xiàn)為顯著的深度效應。對于鉆孔灌注樁的承載力，樁基尺寸對其有著較大的影響，僅提高樁長并非單樁極限承載力提高的有效方法。故必定存在較為合理的樁長能夠充分發(fā)揮樁側以及樁端阻力，以使其承載力以及經濟性都能兼顧。

豎向荷載作用下，樁基礎產生樁土壓縮和相對位移2種沉降。荷載向下傳遞時，單樁極限承載力到某一個固定值后，就不再提升，該樁身的長度即為有效樁長。當灌注樁的樁長再到達某一深度以上時，樁長不斷增加，但是樁基承載力不會有較大的提升，而是隨著樁長的增加樁側摩阻力不斷遞減，并且樁側摩阻力在某一深度可近似看為0。在樁基滿足有效樁長的要求后，其樁身變形不會再因樁長的增加而降低。

在公路橋梁的樁基設計中，為確保樁身具備一定的剛度，應有足夠長的樁長。樁側以及樁端阻力是影響樁長的重要因素。樁側阻力隨著不斷提高的樁長表現(xiàn)出占比不斷提高，對于單樁承載力，樁端阻力所產生的作用較小，主要由樁側阻力提供。曲線趨于平緩時代表極限承載力保持一個穩(wěn)定狀態(tài)，此時的曲線上某一點處的樁長即為有效樁長。

有效樁長有多種計算方法，多種方法計算出來的值存在較大的差異。多數(shù)情況下，在對有效樁長進行計算時均先假定其樁側阻力以三角形或矩形形式進行分布，再通過沉降和承載力計算有效樁長。但基于現(xiàn)場靜載試驗可知，單樁側摩阻力和樁長表現(xiàn)為二次曲線關系。不同的樁側阻力分布影響著最終的計算結果。

基于試樁側向阻力的分布情況，假定樁頂和有效樁長處不存在樁側摩阻力，隨著樁長的不斷增加，樁側摩阻力會逐漸減小，并在距離樁頂2/3樁長位置處保持在最大值，此時有效樁長位移則為0。樁側摩阻力沿樁身的分布如圖2所示（l為樁長）。

圖2 樁側摩阻力沿樁身的分布形式

在該模型下計算某一深度下樁側摩阻力，有：

式中，Qs為樁側摩阻力；P為樁頂荷載；d為樁徑；le為有效樁長；z為樁埋置深度；τ為樁側阻力。

圖3所示為樁-土的力學單元，以靜力平衡條件分析樁身中的微小單元，即可取得荷載作用下樁身的彈性壓縮。對于鉆孔灌注樁而言，其樁頂沉降共包括兩部分內容，分別是樁身壓縮以及樁端沉降。

圖3 樁-土力學單元

樁頂位移可表示為：

式中，E為樁身彈性模量；A為樁身截面面積。

在z′深度處取一微小單元（弧長為s，高z′）進行分析，具體如圖4所示，對于彈性空間中的任意點K，可通過單元積分的方式計算某單元體的側摩阻力，將其換算在從而換算為豎向位移，為簡便計算，具體可將其按照角度換算到極坐標內進行表示。限于篇幅，本文不在此進行推導。此外，需注意的是，在考慮樁身剛度時，直徑較大的鉆孔灌注樁具有較大的長徑比?；谖灰茀f(xié)調方程，可以得到：

圖4 樁側阻力積分示意圖

式中，μ為泊松比；Es為土體壓縮模量。

當前，在對有效樁長進行計算時，不同的學者觀點不同，具有一定的爭議，往往會混淆有效樁長和臨界樁長2個概念。當樁長達到某一值時，樁基在設計樁頂荷載的作用下或者在樁頂產生沉降量時，因荷載傳遞性能的約束而無法再在該長度下出現(xiàn)壓縮變形時，即樁身軸力在某一深度下為0，樁頂荷載以及沉降在該樁基長度下不會再產生影響時的樁長即為臨界樁長。而對于有效樁長，其主要是在樁頂荷載以及沉降量貢獻率的方面進行考慮的，因此，對于有效樁長以外的樁基部分，并非不存在軸力，而是對于樁頂沉降以及樁基承載力而言并無貢獻。從上述分析可知，二者具有較大的區(qū)別。

5 結語

基于上文分析，本文主要得出如下結論：

1）對于A組和B組試樁，具有21 000 kN和23 000 kN的極限承載力，并且二者的Q-s曲線均表現(xiàn)出緩慢變化趨勢，滿足該直徑下鉆孔灌注樁的承載力特點。在結束試驗后，2組試樁均沒有破壞產生，主要通過沉降量控制其極限承載力。

2）樁端阻力在較小的上部荷載作用下幾乎為零，樁側摩阻力是樁基承載力的主要來源；不斷增加上部荷載時，樁端阻力也表現(xiàn)為逐漸上升，并且逐漸增大承擔的樁頂荷載的占比，但是對比樁側阻力的比例仍然較小，因此，未表現(xiàn)出摩擦樁特性。

3）通過對Sb1樁側阻力占比較大的原因進行分析可知，樁側過厚的泥皮是主要影響因素，其使樁側土體性質有所改變，從而使其極限摩阻力有所降低。

4）基于單樁承載力和樁長的關系，引入有效樁長的概念，并對有效樁長進行了解析，可為樁基設計提供參考。